УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ С ЗАВИСИМОЙ ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ НА ГЕРКОНАХ Российский патент 2008 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.

Известно устройство токовой защиты, содержащее трансформатор тока, реле РТ-80, промежуточное реле [М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А. Семенов. Основы техники релейной защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 376 с.].

Однако это устройство имеет существенный недостаток, так как невозможно выполнение защиты без трансформаторов тока (ТТ).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство максимальной токовой защиты на герконах, содержащее первый, второй герконы, первый, второй двоичные счетчики импульсов и исполнительный орган [Клецель М.Я., Мусин В.В. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты без трансформаторов тока на герконах. - Промышленная энергетика, 1990, №4].

Недостатком устройства является невозможность работы с зависимой от тока выдержкой времени, что ограничивает область его использования.

Технический результат изобретения - возможность отключения токов КЗ, протекающих по токопроводам фаз электроустановки без ТТ, с зависимой от тока выдержкой времени.

Данный технический результат достигается тем, что в устройство максимальной токовой защиты на герконах, содержащее первый, второй герконы, первый, второй двоичные счетчики импульсов и исполнительный орган, дополнительно введены задающий генератор импульсов, первый, второй элементы И, первый, второй блоки ЗАДЕРЖКА, первый, второй, третий, четвертый элементы ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ПЗУ), максиселектор, третий, четвертый двоичные счетчики импульсов, первый, второй, третий дешифраторы, компаратор, элемент ИЛИ, цифровой индикатор, переключатель, причем контакт первого геркона подключен к первому входу первого элемента И, контакт второго геркона - к первому входу второго элемента И, ко вторым входам первого и второго элементов И подключен задающий генератор импульсов, выход первого элемента И подключен ко входу первого двоичного счетчика импульсов, выход второго элемента И - ко входу второго двоичного счетчика импульсов, первый вход первого (второго) блока ЗАДЕРЖКА подключен к контакту первого (второго) геркона, вторые входы этих блоков - к задающему генератору импульсов, вход сброса первого (второго) двоичного счетчика импульсов соединен со вторым выходом первого (второго) блока ЗАДЕРЖКА, выходы первого, второго двоичных счетчиков импульсов через первый, второй элементы ПЗУ соединены с первым, вторым входом максиселектора соответственно, вход разрешения записи первого (второго) элемента ПЗУ соединен с первым выходом первого (второго) блока ЗАДЕРЖКА, выход же максиселектора соединен со входами первого, третьего дешифраторов, выход первого дешифратора подключен к первому входу компаратора и входу четвертого элемента ПЗУ, ко входу третьего элемента ПЗУ подведен выход третьего дешифратора, выходы третьего, четвертого элементов ПЗУ подключены к цифровому индикатору, ко второму входу компаратора подключен третий двоичный счетчик импульсов, его вход соединен с задающим генератором импульсов, выход компаратора подключен к исполнительному органу, задающий генератор импульсов также подключен к четвертому двоичному счетчику импульсов, ко входу сброса которого через элемент ИЛИ подключены контакты первого, второго герконов, выход данного счетчика подключен ко второму дешифратору, выход которого подключен к входам сброса первого, второго элементов ПЗУ и третьего двоичного счетчика импульсов, переключатель соединен со входом переключения первого дешифратора, первый (второй) блок ЗАДЕРЖКА выполнен в виде последовательно соединенных третьего (четвертого) элемента И, пятого (шестого) двоичного счетчика импульсов и первого (второго) двоично-десятичного дешифратора, при этом прямой вход третьего (четвертого) элемента И соединен с задающим генератором импульсов, а инверсный - с третьим выходом первого (второго) двоично-десятичного дешифратора, выход третьего (четвертого) элемента И подключен к пятому (шестому) двоичному счетчику импульсов, вход сброса счетчика подключен к контакту первого (второго) геркона, а его выход - ко входу первого (второго) двоично-десятичного дешифратора, первый выход дешифратора соединен со входом разрешения записи первого (второго) элемента ПЗУ, второй - со входом сброса первого (второго) двоичного счетчика импульсов.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства токовой защиты с зависимой выдержкой времени, на фиг.2 - схема выполнения блока ЗАДЕРЖКА, на фиг.3 - заданная характеристика срабатывания предлагаемого устройства, на фиг.4 - сигналы, формируемые на входах и выходе элемента И, на фиг.5, 6 - зависимости, запрограммированные в дешифраторы.

Устройство содержит герконы 1, 2 с нормально разомкнутыми контактами, задающий генератор импульсов 5, блоки ЗАДЕРЖКА 3, 4, элементы И 6, 7, двоичные счетчики импульсов 8, 9, 13, 18, элементы ПЗУ 10, 11, 22, 23, максиселектор 12, цифровой компаратор 15, элемент ИЛИ 17, двоичные дешифраторы 14, 19, 20, исполнительный орган 16, переключатель 21, цифровой индикатор 24. Контакт геркона 1 подключен ко входу элемента И 6, контакт геркона 2 - ко входу элемента И 7, также ко входам элементов И 6, 7 подключен задающий генератор импульсов 5, выход элемента И 6 подключен ко входу двоичного счетчика импульсов 8, выход элемента И 7 - ко входу двоичного счетчика импульсов 9, к первым входам блоков ЗАДЕРЖКА 3, 4 подключены контакты герконов 1, 2 соответственно, а к их вторым входам - задающий генератор импульсов 5. Вход сброса счетчика 8 (9) соединен со вторым выходом блока ЗАДЕРЖКА 3 (4), а первый выход этого блока подключен ко входу разрешения записи элемента ПЗУ 10 (11). Выход счетчика 8 (9) через элемент ПЗУ 10 (11) соединен с первым (вторым) входом максиселектора 12, выход же максиселектора 12 соединен с входами двоичных дешифраторов 14 и 20, выход дешифратора 14 подключен ко входу элемента ПЗУ 23 и ко входу цифрового компаратора 15, к другому входу которого подключен счетчик импульсов 13. Вход двоичного счетчика импульсов 13 соединен с задающим генератором импульсов 5. Генератор 5 также подключен ко входу двоичного счетчика импульсов 18, ко входу сброса которого через элемент ИЛИ 17 подключены контакты герконов 1, 2, выходной сигнал со счетчика 18 поступает в двоичный дешифратор 19, выход которого подключен к контактам сброса элементов ПЗУ 10, 11 и двоичного счетчика импульсов 13. Выход дешифратора 20 соединен с элементом ПЗУ 22 и далее, так же как и выход элемента ПЗУ 23, соединен с цифровым индикатором 24. Переключатель 21 соединен со входом переключения дешифратора 14. Выход цифрового компаратора 15 подключен к исполнительному органу 16.

Блок ЗАДЕРЖКА 3 (4) может быть выполнен (фиг.2) в виде последовательно соединенных элемента И 25, двоичного счетчика импульсов 26 и двоично-десятичного дешифратора 27, при этом прямой вход элемента И 25 соединен с задающим генератором импульсов 5, а инверсный - с выходом 30 двоично-десятичного дешифратора 27. Выход элемента И 25 подключен к двоичному счетчику импульсов 26, вход сброса счетчика 26 подключен к контакту геркона 1 (2), а его выход - ко входу двоично-десятичного дешифратора 27. Выход 28 дешифратора 27 соединен со входом разрешения записи элемента ПЗУ 10 (11), выход 29 - со входом сброса счетчика 8 (9).

Для реализации устройства необходимо, чтобы геркон 1 (2) реагировал только на ток фазы А (С):

где

В_A, B_B, B_C - индукции магнитных полей в месте установки геркона от токов фаз А, В, С; α₁, α₂, α₃ - углы между осью геркона и В_A, В_B, В_C соответственно; μ₀ - магнитная проницаемость воздуха; I_A, I_B, I_C - токи в фазах А, В, С, g_A, g_B, g_C - коэффициенты, полученные с помощью элементарной геометрии из закона Био - Савара - Лапласа для определения напряженности поля от тока в проводнике.

Формулы (1), (2) получаются из (3) при выполнении следующих условий:

Герконы 1, 2 установлены вблизи токопроводов фаз А, В, С на безопасном по технике безопасности расстоянии. Их положение определятся расстояниями h₁, h₂ от горизонтальной линии 20 до центра тяжести герконов, а также расстояниями х₁, х₂ от вертикальной линии 21, проходящей через фазу А, до центра тяжести герконов и углами γ^Г1, γ^Г2 между горизонтальной линией 22 и продольными осями герконов. Именно поток Ф, создающий В_ПР, определяет срабатывание геркона, поэтому расстояния h₁, x₁ (h₂, х₂) и угол γ^Г1 (γ^Г2) выбираются так, чтобы выполнялось (4), (5), то есть на геркон 1 (2) действовало магнитное поле, созданное током фазы А (С).

Например, для электроустановки 10 кВ (d=0,24 м, h=0,12 м) одним из множества решений уравнения (4) являются следующие координаты:

Тогда

Выбор типа геркона должен обеспечивать его срабатывание при прохождении минимального тока короткого замыкания по токопроводу фазы А (С) и его несрабатывание при максимальной нагрузке (от пускового тока защита отстраивается временем срабатывания). Поэтому напряженность срабатывания геркона выбирается по следующей формуле:

где - напряженность магнитного поля в точке расположения геркона 1 при прохождении максимального рабочего тока по токопроводу фазы А;

k_ОТС=1,3 - коэффициент отстройки.

Тогда геркон размыкает контакт при напряженности магнитного поля в точке расположения геркона 1

где k_ВОЗВ=0,8 - коэффициент возврата геркона.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении тока К3 по токопроводу фазы А (С) геркон 1 (2) замыкает и размыкает свой контакт, и на первый вход элемента И 6 (7) поступает сигнал (фиг.4), который длится в течение времени замыкания (до его размыкания). Поскольку на второй вход элемента И 6 (7) подаются импульсы от генератора 5, на выходе элемента И 6 (7) формируется серия импульсов опорной частоты, количество которых пропорционально времени замкнутого состояния геркона. Счетчик 8 (9) формирует на своем выходе двоичные данные в соответствии с количеством импульсов на выходе элемента И 6 (7). При размыкании контактов геркона блок ЗАДЕРЖКА сначала дает сигнал на запись данных со счетчика 8 (9) в элемент ПЗУ 10 (11), потом на сброс счетчика 8 (9). В максиселекторе 12 сравниваются двоичные данные с элементов ПЗУ 10, 11, и на его выходе появляются максимальные из них. В дешифраторе 14 данным о количестве импульсов опорной частоты ставится в соответствие выдержка времени, выраженная в двоичном коде. Указанное соответствие вносится в дешифратор в виде массива и может быть представлено как зависимость, изображенная на фиг.5. Задержка на 0,04 с обусловлена отстройкой от апериодической составляющей тока К3. Код с дешифратора поступает на один из входов компаратора 15. На его другой вход подаются данные с двоичного счетчика импульсов 13. Счетчик 13 считает импульсы, период которых равен шагу выдержки времени 0,01 с. Компаратор 15 дает сигнал на исполнительный орган 16, если число в двоичном коде со счетчика 13 равно или превышает число с дешифратора 14. Следует отметить, что счетчик 13 запускается, если на выходе дешифратора 14 появились данные, отличные от нуля. При селективном отключении электроустановки предыдущими защитами контакты герконов 1, 2 отпадают, и на выходе элемента ИЛИ, подключенного к этим контактам, сигнал будет равен нулю. На вход сброса счетчика 18 перестает поступать сигнал, и он начинает отсчитывать импульсы генератора 5 и формировать на своем выходе двоичные данные, соответствующие их количеству. При превышении заданного значения на выходе дешифратора 19 появляется сигнал (фиг.6), который подается на сброс элементов ПЗУ 10, 11 и счетчика импульсов 13. Переключатель 21 служит для выбора характеристик срабатывания защиты, записанных в дешифраторе 14. На цифровом индикаторе 24 отображаются значения тока КЗ и времени отключения электроустановки.

Пусть номинальный ток электроустановки напряжением 10 кВ I_{РАБ,МАКС}=250 А, и произошло короткое замыкание между фазами А и В, при этом ток К3 Если необходимая для защиты электроустановки характеристика срабатывания представлена на фиг.3, то для кратности тока К3 время срабатывания защиты должно быть t=2,8 с. На данный вид КЗ должен реагировать геркон 1 замыканием своих контактов с частотой 100 Гц. Координаты установки геркона выбираем согласно (6). В точке с этими координатами:

Выбираем геркон с тогда Вследствие замыкания контакта геркона на выходе элемента И 6 формируется серия импульсов опорной частоты 1 МГц. С учетом выбора геркона с H_CP=111 А/м, Н_ВОЗВ=88,8 А/м и его координат установки, количество импульсов, подсчитанных счетчиком 8 за время замкнутого состояния геркона t_ИМП1=0,0047 с и занесенных в элемент ПЗУ 10, равняется:

где t_П - длительность полуволны переменного тока частотой 50 Гц;

N_п - количество импульсов опорной частоты 1 МГц за время существования полуволны переменного тока частотой 50 Гц.

Поскольку геркон 2 не срабатывает, в ПЗУ 11 данные отсутствуют и на выходе максиселектора 12 появляются данные с ПЗУ 10. В дешифраторе 14 этому количеству импульсов Ni=4700 соответствует двоичный код уставки времени Nt=280. Этот код подается на второй вход компаратора 15. Счетчик 13 начинает считать импульсы с периодом 0,01 с, поступающие от генератора 5. Через 2,8 с, когда счетчик 13 насчитает 280 импульсов, данные на обоих входах компаратора 15 сравняются и на исполнительный орган 16 поступит сигнал на отключение электроустановки. Если же в течение 2,8 с К3 отключится предыдущими защитами и геркон перестанет срабатывать, то на элемент ПЗУ 10 и счетчик 13 поступит сигнал сброса от дешифратора 19, поэтому сигнал на отключение не будет сформирован.

Пусть при коротком замыкании АВ ток К3 электроустановка должна отключиться через 1,1 с (для кратности тока К3 Количество импульсов, подсчитанных счетчиком импульсов 8 при данном К3 за время замкнутого состояния геркона и занесенных в элемент ПЗУ 10, равняется Ni=9000. В дешифраторе 14 этому количеству импульсов Ni=9000 соответствует двоичный код уставки времени Nt=110. Это количество импульсов подсчитывается счетчиком 13 за 1,1 с, и с компаратора 15 подается сигнал на исполнительный орган 16.

Пусть при пуске обобщенной нагрузки (пусковой коэффициент k_ПУСК=2) ток, протекающий по токопроводам фаз электроустановки I_ПУСК=500 A. В течение времени протекания пускового тока (t_ПУСК=8 с) защита не должна отключать электроустановку. Количество импульсов, подсчитанных счетчиками импульсов 8, 9 в заданном режиме за время замкнутого состояния геркона и занесенных в элементы ПЗУ 10, 11, равняется Ni=1800. В дешифраторе 14 этому количеству импульсов Ni=1800 соответствует двоичный код уставки времени Nt=800. Это количество импульсов подсчитывается счетчиком 13 за 8 с. В течение этого времени пусковой ток снизится до номинального тока электроустановки, герконы 1, 2 перестанут срабатывать и на элементы ПЗУ 10, 11 и счетчик 13 поступит сигнал сброса от дешифратора 19, поэтому сигнал на отключение не будет сформирован.

Таким образом, разработанное устройство обеспечивает обратнозависимую от тока выдержку времени.

Технико-экономическая эффективность заключается в экономии материальных ресурсов, а именно меди и проката черных металлов, необходимых для производства трансформаторов тока.

Изобретение относится к области электротехники. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах, содержит первый, второй герконы, первый, второй двоичные счетчики импульсов и исполнительный орган, в него дополнительно введены задающий генератор импульсов, первый, второй элементы И, первый, второй блоки ЗАДЕРЖКА, первый, второй, третий, четвертый элементы ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ПЗУ), максиселектор, третий, четвертый двоичные счетчики импульсов, первый, второй, третий дешифраторы, компаратор, элемент ИЛИ, цифровой индикатор, переключатель; первый (второй) блок ЗАДЕРЖКА выполнен в виде последовательно соединенных третьего (четвертого) элемента И, пятого (шестого) двоичного счетчика импульсов и первого (второго) двоично-десятичного дешифратора. Технический результат - возможность отключения токов К3, протекающих по токопроводам фаз электроустановки без трансформаторов тока, с зависимой от тока выдержкой времени. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах, содержащее первый, второй герконы, первый, второй двоичные счетчики импульсов и исполнительный орган, отличающееся тем, что в него дополнительно введены задающий генератор импульсов, первый, второй элементы «И», первый, второй блоки «ЗАДЕРЖКА», первый, второй, третий, четвертый элементы «Постоянное запоминающее устройство» («ПЗУ»), максиселектор, третий, четвертый двоичные счетчики импульсов, первый, второй, третий дешифраторы, компаратор, элемент «ИЛИ», цифровой индикатор, переключатель, причем контакт первого геркона подключен к первому входу первого элемента «И», контакт второго геркона - к первому входу второго элемента «И», ко вторым входам первого и второго элементов «И» подключен задающий генератор импульсов, выход первого элемента «И» подключен ко входу первого двоичного счетчика импульсов, выход второго элемента «И» - ко входу второго двоичного счетчика импульсов, первый вход первого блока «ЗАДЕРЖКА» подключен к контакту первого геркона, второй вход этого блока - к задающему генератору импульсов, вход сброса первого двоичного счетчика импульсов соединен со вторым выходом первого блока «ЗАДЕРЖКА», выход первого двоичного счетчика импульсов через первый элемент «ПЗУ» соединен с первым входом максиселектора, вход разрешения записи первого элемента «ПЗУ» соединен с первым выходом первого блока «ЗАДЕРЖКА», первый вход второго блока «ЗАДЕРЖКА» подключен к контакту второго геркона, второй вход этого блока - к задающему генератору импульсов, вход сброса второго двоичного счетчика импульсов соединен со вторым выходом второго блока «ЗАДЕРЖКА», выход второго двоичного счетчика импульсов через второй элемент «ПЗУ» соединен со вторым входом максиселектора, вход разрешения записи второго элемента «ПЗУ» соединен с первым выходом второго блока «ЗАДЕРЖКА», выход же максиселектора соединен со входами первого, третьего дешифраторов, выход первого дешифратора подключен к первому входу компаратора и входу четвертого элемента «ПЗУ», ко входу третьего элемента «ПЗУ» подведен выход третьего дешифратора, выхода третьего, четвертого элементов «ПЗУ» подключены к цифровому индикатору, ко второму входу компаратора подключен третий двоичный счетчик импульсов, его вход соединен с задающим генератором импульсов, выход компаратора подключен к исполнительному органу, задающий генератор импульсов также подключен к четвертому двоичному счетчику импульсов, ко входу сброса которого через элемент «ИЛИ» подключены контакты первого, второго герконов, выход данного счетчика подключен ко второму дешифратору, выход которого подключен к входам сброса первого, второго элементов «ПЗУ» и третьего двоичного счетчика импульсов, переключатель соединен со входом переключения первого дешифратора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый блок «ЗАДЕРЖКА» выполнен в виде последовательно соединенных третьего элемента «И», пятого двоичного счетчика импульсов и первого двоично-десятичного дешифратора, при этом прямой вход третьего элемента «И» соединен с задающим генератором импульсов, а инверсный - с третьим выходом первого двоично-десятичного дешифратора, выход третьего элемента «И» подключен к пятому двоичному счетчику импульсов, вход сброса счетчика подключен к контакту первого геркона, а его выход - ко входу первого двоично-десятичного дешифратора, первый выход дешифратора соединен со входом разрешения записи первого элемента «ПЗУ», второй - со входом сброса первого двоичного счетчика импульсов, второй блок «ЗАДЕРЖКА» выполнен в виде последовательно соединенных четвертого элемента «И», шестого двоичного счетчика импульсов и второго двоично-десятичного дешифратора, при этом прямой вход четвертого элемента «И» соединен с задающим генератором импульсов, а инверсный - с третьим выходом второго двоично-десятичного дешифратора, выход четвертого элемента «И» подключен к шестому двоичному счетчику импульсов, вход сброса счетчика подключен к контакту второго геркона, а его выход - ко входу второго двоично-десятичного дешифратора, первый выход дешифратора соединен со входом разрешения записи второго элемента «ПЗУ», второй -со входом сброса второго двоичного счетчика импульсов.